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动载体光电成像系统视轴稳定精度研究

应用光学 2009年第4期30卷 537-541页

作者：朱华征范大鹏马东玺张文博国防科学技术大学机电工程系湖南长沙410073

载体扰动会对光电成像系统的性能产生影响。分析载体扰动的特点及产生的原因,主要分析载体角运动对光电成像系统性能的影响。在此基础上从空间分辨率、人眼观察性能以及跟踪精度3个方面分析光电成像系统对视轴稳定精度的要求,指出对于... 详细信息

载体扰动会对光电成像系统的性能产生影响。分析载体扰动的特点及产生的原因,主要分析载体角运动对光电成像系统性能的影响。在此基础上从空间分辨率、人眼观察性能以及跟踪精度3个方面分析光电成像系统对视轴稳定精度的要求,指出对于探测器限制的光电成像系统,应将积分时间内载体的角扰动控制在探测器限制的空间分辨率内,或将像移控制在一个探测单元尺寸内,对于衍射限制的光电成像系统,应将积分时间内载体的角扰动控制在衍射限制的空间分辨率内,得出了视轴稳定精度必须在满足成像系统空间分辨率的基础上,根据实际功能需求进行确定的结论。最后通过实例验证了上述结果。

关键词：扰动视轴稳定精度空间分辨率跟踪精度

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基于跟踪微分器的加速度反馈控制

吉林大学学报（工学版） 2017年第4期47卷 1217-1224页

作者：申帅张葆李贤涛朱枫晋超琼中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

为了提高航空光电稳定平台的抗扰性的同时不增加平台成本,本文在传统平台的电流反馈、速度反馈、位置反馈系统的基础上增加基于跟踪微分器的高增益加速度反馈环节,相对于传统基于差分的加速度反馈系统,基于跟踪微分器的加速度反馈系统... 详细信息

为了提高航空光电稳定平台的抗扰性的同时不增加平台成本,本文在传统平台的电流反馈、速度反馈、位置反馈系统的基础上增加基于跟踪微分器的高增益加速度反馈环节,相对于传统基于差分的加速度反馈系统,基于跟踪微分器的加速度反馈系统改善了其对噪声干扰敏感等问题。通过模拟转台,对平台进行1°、0~2.5Hz正弦扰动测试,结果表明:相对于传统速度反馈平台系统,基于跟踪微分器的加速度反馈系统,超调量减小了约4.9%,视轴稳定精度提高了至少63.4%,平台的过渡过程加快;且该伺服系统结构简单,有较好通用性和实用价值。

关键词：自动控制技术抗扰性加速度反馈跟踪微分器视轴稳定精度

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高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制

光学精密工程 2017年第9期25卷 2428-2436页

作者：李贤涛张晓沛毛大鹏孙敬辉中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室吉林长春130033 美国加利福尼亚大学洛杉矶分校亨利.萨缪理工程和应用科学学院

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后... 详细信息

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试,并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明:相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统,本文控制方法的参数鲁棒性更强;相比于传统的压电式-快速反射镜,本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下,还具有更大的行程。除此之外,在80Hz以内任意频率扰动的影响下,基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5μrad(RMS)以内;同时在-40℃~50℃的温度条件下依然可以保持该性能,远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。

关键词：航空光电稳定平台音圈式-快速反射镜压电式-快速反射镜视轴稳定精度参数鲁棒性

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基于强跟踪卡尔曼滤波的陀螺信号处理

吉林大学学报（工学版） 2017年第6期47卷 1868-1875页

作者：朱枫张葆李贤涛王正玺张士涛中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学院航空光学成像与测量重点实验室长春130033 中国科学院大学北京100049

针对陀螺传感器测量精度低,严重影响航空光电稳定平台视轴稳定精度的问题,设计了强跟踪卡尔曼滤波器。根据时间序列分析法的基本原理,对经过预处理的陀螺原始量测数据进行AR模型建模,根据该AR模型采用状态空间法设计卡尔曼滤波器,同时... 详细信息

针对陀螺传感器测量精度低,严重影响航空光电稳定平台视轴稳定精度的问题,设计了强跟踪卡尔曼滤波器。根据时间序列分析法的基本原理,对经过预处理的陀螺原始量测数据进行AR模型建模,根据该AR模型采用状态空间法设计卡尔曼滤波器,同时为了增强系统的鲁棒性,引入强跟踪算法对卡尔曼滤波中的状态预测方差进行实时调整,构造了强跟踪卡尔曼滤波器。阐述了该算法的理论、原理,并且在某型航空光电稳定平台上进行试验验证。试验结果表明:强跟踪卡尔曼滤波器输出信号的方差减少了44.1%,分散程度降低,同时,相较于巴特沃斯滤波器,最大超调量减少13%,上升时间缩短了3ms,调整时间缩短了37.5ms,使平台具有良好的动态性能。研究表明,强跟踪卡尔曼滤波器可以提高航空光电稳定平台的精度,有较高的实用价值。

关键词：自动控制技术视轴稳定精度强跟踪卡尔曼滤波陀螺传感器

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光电稳瞄系统视轴稳定控制策略研究

光电稳瞄系统视轴稳定控制策略研究

作者：彭业光长春理工大学

学位级别：硕士

视轴稳定精度是衡量光电稳瞄系统性能最为关键的一项技术指标,视轴稳定精度越高,其搭载的光电探测设备探测效果越好。由于扰动的存在导致其精度受到影响,传统的PID控制策略已无法满足控制系统的性能要求。需要探索有效的控制策略来提高... 详细信息

视轴稳定精度是衡量光电稳瞄系统性能最为关键的一项技术指标,视轴稳定精度越高,其搭载的光电探测设备探测效果越好。由于扰动的存在导致其精度受到影响,传统的PID控制策略已无法满足控制系统的性能要求。需要探索有效的控制策略来提高光电稳瞄系统的抗扰能力,提升视轴稳定精度。本文以两轴两框架的光电稳定平台作为研究对象,开展光电稳瞄系统视轴稳定控制的研究工作。首先详细分析了影响视轴稳定精度的扰动因素,对关键部件进行了分析和建模,通过系统辨识获取平台的模型信息。然后给出了包含模型信息的线性扩张状态观测器的设计方法,设计了基于模型信息的线性自抗扰控制器,并在Quanser半实物仿真平台上验证该控制器的有效性。之后为光电稳定平台设计了基于模型信息的线性自抗扰控制器,在MATLAB中与未包含模型信息的线性自抗扰控制器、PI控制器进行了阶跃响应、扰动抑制、跟踪性能和模型摄动鲁棒性的仿真对比。结果显示基于模型信息的线性自抗扰控制器控制效果最好。最后在DSP中进行了光电稳定平台速度环自抗扰控制器的实现,实验验证该控制器可有效提高光电稳瞄系统的视轴稳定精度。

关键词：光电稳瞄系统视轴稳定精度两轴两框架模型信息线性自抗扰控制

基于卡尔曼滤波提高陀螺传感器测量精度的研究

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基于卡尔曼滤波提高陀螺传感器测量精度的研究

作者：朱枫中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

学位级别：硕士

航空光电稳定平台凭借图像探测装置实现对目标的自动跟踪和识别,被广泛应用于军事领域以及公安、环境监测等民用环境中。其中,陀螺传感器是航空光电稳定平台的核心敏感传感器,它被安装在运动载体上,敏感载体速度的变化从而隔离扰动,使... 详细信息

航空光电稳定平台凭借图像探测装置实现对目标的自动跟踪和识别,被广泛应用于军事领域以及公安、环境监测等民用环境中。其中,陀螺传感器是航空光电稳定平台的核心敏感传感器,它被安装在运动载体上,敏感载体速度的变化从而隔离扰动,使航空光电稳定平台尽可能的保持稳定,进而保证安装在平台内部载荷的视轴具有稳定指向。由于受到外界环境的干扰以及自身结构误差等因素的影响,航空光电稳定平台中的陀螺传感器在敏感平台速度变化时,往往会引入随机漂移和测量噪声,导致直流驱动电机的输出力矩无法完全精准地驱动平台的框架运动,如此一来,将会造成视轴不能稳定在目标理想位置。所以,想要提高航空光电稳定平台的视轴稳定精度,必须对陀螺传感器所输出的信号进行有效的滤波处理。卡尔曼滤波根据状态方程对动态系统进行描述,以线性最小方差作为估计准则,利用预测和修正的方法,对系统的状态进行最优估计。卡尔曼滤波以其实时性好、存储空间小、易实现等优点而得到广泛应用。考虑到实际的工程需求,本论文在两轴四框架航空光电稳定平台的环境下,利用强跟踪卡尔曼滤波算法,来为航空光电稳定平台中陀螺传感器所输出的信号滤除噪声干扰,从而提升航空光电稳定平台的伺服系统速度环的控制精度,本文研究的主要内容如下:(1)首先根据两轴四框架航空稳定平台的工作原理,对系统中存在的各类干扰因素进行综合分析,着重分析了陀螺传感器的测量噪声为视轴稳定精度带来的不利影响。(2)为了对陀螺传感器的输出信号进行有效滤波,对陀螺信号建立数学模型。时间序列法是本文所采用的建模方法,利用系统输出的数据对系统内部的特性和外部因素进行一个推测,同时对系统的未来状况做出预测。考虑到算法的复杂程度以及实际应用中的计算量,采用AR(1)模型作为陀螺传感器的数学模型。该模型可以为卡尔曼滤波中的参数设置提供参考。(3)在陀螺传感器数学模型的基础上,构建卡尔曼滤波的状态方程和量测方程,针对陀螺信号的测量噪声,采用卡尔曼滤波技术对其进行抑制。同时引入强跟踪算法,将卡尔曼滤波中的状态预测方差矩阵不断调整,强迫输出误差序列保持不相关的特性,构造强跟踪卡尔曼滤波器,从而提高系统的鲁棒性。(4)针对本文提出的强跟踪卡尔曼滤波器,与工程上常用的二阶巴特沃斯滤波器进行对照试验,从而验证强跟踪卡尔曼滤波器的滤波效果与鲁棒性。实验结果表明:相较于二阶巴特沃斯滤波器,强跟踪卡尔曼滤波器的输出信号在幅值和方差上均有明显的改善,优化了控制系统的动态性能,保证了信号的实时性。同时,本文所提出的强跟踪卡尔曼滤波器具有更好的鲁棒稳定性。

关键词：航空光电稳定平台卡尔曼滤波陀螺传感器强跟踪算法视轴稳定精度

基于干扰观测器的光电稳定平台自抗扰控制技术研究

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基于干扰观测器的光电稳定平台自抗扰控制技术研究

作者：杨俊威长春理工大学

学位级别：硕士

光电稳定平台是通过消除载体扰动,保证光电探测设备的视轴稳定,实现对载体外目标实时捕获与跟踪的先进技术设备。其在多样的作业环境中会受到各种扰动因素的影响,继而降低平台的视轴稳定精度。因此研究光电稳定平台控制算法,提高其抗扰... 详细信息

光电稳定平台是通过消除载体扰动,保证光电探测设备的视轴稳定,实现对载体外目标实时捕获与跟踪的先进技术设备。其在多样的作业环境中会受到各种扰动因素的影响,继而降低平台的视轴稳定精度。因此研究光电稳定平台控制算法,提高其抗扰能力和响应速度,改善其视轴稳定精度将具有一定的现实意义。本文选择两轴两框架光电稳定平台作为研究对象,以提升平台系统的动态响应特性和抗扰能力为目标,进行控制算法研究。本文针对光电稳定平台所做的研究工作如下:1.分析了光电稳定平台的结构组成和工作模式,研究影响视轴稳定的主要扰动因素,并将这些扰动因素划分为模型扰动、力矩扰动、角速度扰动和测量噪声。完成对平台速度环控制回路的机理分析,在此基础上结合系统辨识的方法建立光电稳定平台的数学模型。2.研究了光电稳定平台自抗扰控制算法,针对未利用模型信息会增加线性扩张状态观测器(LESO)观测负担的问题,提出基于模型信息的改进型线性自抗扰控制器(MLADRC),提高对平台扰动的估计精度。并进行了MLADRC和LADRC平台控制系统的仿真对比实验,通过仿真对比得到MLADRC平台控制系统调整时间减小0.2s,力矩和角速度扰动抑制能力提升近50%,但对测量噪声的抑制能力减弱。3.针对MLADRC减弱光电稳定平台测量噪声抑制能力的问题,提出改进型速度干扰观测器(VDOB),与基于DOB平台控制系统进行仿真对比实验,仿真结果表明VDOB平台控制系统对测量噪声的抑制提升了两个数量级。结合MLADRC响应速度快和VDOB扰动抑制能力强的优点,提出基于干扰观测器的自抗扰控制算法(VDOBMLADRC),并将该算法应用于光电稳定平台速度回路。最后进行了VDOB-MLADRC、MLADRC和LADRC平台控制系统仿真对比实验,仿真结果验证了该控制算法不仅可以提高平台系统的响应速度;还能进一步提升扰动抑制能力;以及在平台模型增益变化±20%的范围内,平台系统仍具有很强的鲁棒性。

关键词：光电稳定平台线性自抗扰控制干扰观测器抗扰能力视轴稳定精度

基于模糊调参规则和IDOB的光电平台复合控制方法

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导航与控制 2023年第6期22卷 46-54页

作者：何锦廷谷奇丁祝顺孙寅张明闯北京航天控制仪器研究所北京100039 北景国测(上海)量子科技有限公司上海201306

作为航空光电吊舱的重要组成部分,光电平台广泛应用于无人机、导引头等领域。为了补偿摩擦、干扰角速度以及其他未知扰动,以提高系统稳定精度,提出了一种基于模糊调参规则和改进干扰观测器(IDOB)的复合控制方法。该方法利用模糊规则在... 详细信息

作为航空光电吊舱的重要组成部分,光电平台广泛应用于无人机、导引头等领域。为了补偿摩擦、干扰角速度以及其他未知扰动,以提高系统稳定精度,提出了一种基于模糊调参规则和改进干扰观测器(IDOB)的复合控制方法。该方法利用模糊规则在线调整PID参数,并采用基于角速度的改进干扰观测器对伺服控制系统的外界扰动进行观测,将其等效为控制量进行反馈补偿。样机摇摆实验结果表明,提出的复合控制方法在低频干扰条件下的RMS值比模糊PID控制的RMS值减小了12.24%,有效提高了在低频干扰运动下的视轴稳定精度和鲁棒性,验证了该复合控制方法具有更好的稳定性,对工程实践具有参考意义。

关键词：光电平台复合控制模糊调参规则改进干扰观测器视轴稳定精度